La vita è un fenomeno affascinante e complesso, e uno degli aspetti che ha sempre incuriosito gli scienziati è la presenza esclusiva di biomolecole in una delle loro due possibili configurazioni specchio, un fenomeno noto come omochiralità. Questa caratteristica è stata oggetto di attenzione da parte di figure storiche della scienza come Louis Pasteur, che per primo identificò la chiralità molecolare, William Thomson (noto anche come Lord Kelvin) e Pierre Curie, premio Nobel. Nonostante ciò, una spiegazione definitiva è ancora mancante, poiché entrambe le forme hanno la stessa stabilità chimica e non differiscono l’una dall’altra nelle loro proprietà fisicochimiche. Tuttavia, l’ipotesi che l’interazione tra campi elettrici e magnetici possa spiegare la preferenza per una o l’altra forma specchio di una molecola – i cosiddetti enantiomeri – è emersa fin dall’inizio.
La ricerca recente e l’interazione con le superfici magnetizzate
Solo negli ultimi anni sono emerse le prime prove indirette che le varie combinazioni di questi campi di forza possono effettivamente “distinguere” tra le due immagini specchio di una molecola. Questo è stato ottenuto studiando l’interazione di molecole chirali con superfici metalliche che esibiscono un forte campo elettrico su brevi distanze.
Esperimenti con spirali di elicene e superfici di cobalto-rame
Se vengono depositate solo spirali di elicene con configurazione sinistrorsa su una superficie di cobalto-rame, esse mostrano chiaramente una preferenza per le isole di cobalto con una certa direzione di magnetizzazione. Le superfici di metalli magnetici come il ferro, il cobalto o il nichel consentono quindi di combinare campi elettrici e magnetici in vari modi – la direzione di magnetizzazione viene semplicemente invertita, da “Nord su – Sud giù” a “Sud su – Nord giù”. Se l’interazione tra magnetismo e campi elettrici effettivamente scatena effetti “enantioselettivi”, allora la forza dell’interazione tra molecole chirali e superfici magnetiche dovrebbe anche differire, a seconda che una molecola destrorsa o sinistrorsa “si depositi” sulla superficie.
Immagini specchio e campi magnetici opposti
E questo è effettivamente il caso, come ha recentemente riportato un team di ricercatori guidato da Karl-Heinz Ernst del laboratorio di Surface Science and Coating Technologies di Empa e colleghi del Peter Grünberg Institute al Forschungszentrum Jülich in Germania, pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Materials. Il team ha rivestito una superficie di rame (non magnetica) con piccole “isole” ultra-sottili di cobalto magnetico e ha determinato la direzione del campo magnetico in queste utilizzando la microscopia a scansione tunneling polarizzata in spin; come accennato prima, questo può correre in due diverse direzioni perpendicolari alla superficie metallica: Nord su o Sud su. Hanno poi depositato molecole chirali a forma di spirale – una miscela 1:1 di molecole di heptahelicene sinistrorse e destrorse – su queste isole di cobalto in un vuoto ultraspinto.
Conteggio delle molecole e preferenza per la direzione del campo magnetico
Successivamente, hanno “semplicemente” contato il numero di molecole di elicene destrorse e sinistrorse sulle isole di cobalto magnetizzate in modo diverso, quasi 800 molecole in totale, utilizzando nuovamente la microscopia a scansione tunneling. E, a sorpresa, a seconda della direzione del campo magnetico, una o l’altra forma delle spirali di elicene si era depositata preferenzialmente.
La selettività di spin indotta dalla chiralità (effetto CISS)
Inoltre, gli esperimenti hanno mostrato che la selezione – la preferenza per uno o l’altro enantiomero – non avviene solo durante il legame sulle isole di cobalto, ma già in precedenza. Prima che le molecole assumano la loro posizione finale (preferita) su una delle isole di cobalto, migrano a lunghe distanze sulla superficie di rame in uno stato precursore legato in modo significativamente più debole nella “ricerca” di una posizione ideale. Sono legate alla superficie solo dalle cosiddette forze di van der Waals, che sono causate solo da fluttuazioni nel guscio elettronico di atomi e molecole e sono quindi relativamente deboli. Il fatto che anche queste siano influenzate dal magnetismo, ovvero dalla direzione di rotazione (spin) degli elettroni, non era noto fino ad ora.
Utilizzando la microscopia a scansione tunneling, i ricercatori sono stati anche in grado di risolvere un altro mistero, come hanno riportato sulla rivista Small lo scorso novembre. Il trasporto di elettroni – ovvero la corrente elettrica – dipende anche dalla combinazione di chiralità molecolare e magnetizzazione della superficie. A seconda della chiralità della molecola legata, gli elettroni con una direzione di spin preferenziale fluiscono – o “tunnelano” – attraverso la molecola, il che significa che gli elettroni con lo “spin sbagliato” vengono filtrati.
Questo effetto di selettività di spin indotta dalla chiralità (effetto CISS, vedi lato sinistro della grafica) era già stato osservato in studi precedenti, ma non era chiaro se fosse necessario un insieme di molecole per questo o se anche le singole molecole mostrassero questo effetto. Ernst e i suoi colleghi hanno ora dimostrato che anche le singole molecole di elicene mostrano l’effetto CISS. “Ma la fisica dietro a questo non è ancora compresa”, ammette Ernst.
Il ricercatore di Empa ritiene anche che le sue scoperte alla fine non possano rispondere completamente alla domanda della chiralità della vita. In altre parole, la domanda che il premio Nobel per la chimica e chimico dell’ETH Vladimir Prelog descrisse come “uno dei primi problemi della teologia molecolare” nella sua lezione del premio Nobel nel 1975. Ma Ernst può immaginare che in certe reazioni chimiche catalizzate dalla superficie – come quelle che avrebbero potuto aver luogo nella “zuppa chimica primordiale” sulla Terra primordiale – una certa combinazione di campi elettrici e magnetici avrebbe potuto portare a un accumulo costante di una forma o dell’altra delle varie biomolecole – e quindi alla chiralità della vita.
